EP1604251A1 - Verfahren zum auslösen insassenunterstützter massnahmen in einem fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum auslösen insassenunterstützter massnahmen in einem fahrzeug

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EP1604251A1
EP1604251A1 EP04722274A EP04722274A EP1604251A1 EP 1604251 A1 EP1604251 A1 EP 1604251A1 EP 04722274 A EP04722274 A EP 04722274A EP 04722274 A EP04722274 A EP 04722274A EP 1604251 A1 EP1604251 A1 EP 1604251A1
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EP
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vehicle
signals
measures
occupant
intention
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EP04722274A
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Klaus-Robert MÜLLER
Benjamin Blankertz
Gabriel Curio
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Charite Universitaetsmedizin Berlin
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
    • G05B13/027—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using neural networks only
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/16—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state
    • A61B5/18—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state for vehicle drivers or machine operators
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection

Definitions

  • the invention relates to a method for triggering occupant-assisted measures in a vehicle.
  • DE 198 01 009 C1 discloses a method in which an emergency or stress situation of the driver of a vehicle is detected and a device initiating or executing a braking operation is actuated in a supportive manner.
  • the driver's emergency or stress situation is thereby detected on the basis of sensors which show a change of the blood pressure and / or a change of the pulse and / or a change of the pupil and / or a change of the facial expression and / or a change of the eyelid reflex and / or a muscle contraction, preferably the hand, and / or a change in skin resistance and / or a change in sweat secretion.
  • An object of the invention is to provide a method for triggering occupant-assisting measures in a vehicle, in which the time between see the formation of the intention of z. B. driver of the vehicle and the shortening measure and this can thus be initiated virtually without time delay.
  • the invention proposes a method for triggering occupant-supported measures in a vehicle, in which brainwave signals of at least one vehicle occupant, in particular of the driver, are detected metrologically, based on the brainwave signals, the intention of the vehicle occupant estimated by real-time processing or is determined and - based on the intention of the vehicle occupant measures for transferring the current state of the vehicle in one of the intention of the vehicle occupant adapted state of the vehicle are triggered in advance.
  • the action-specific intentions of the occupants or of the driver are detected on the basis of their brainwaves. This is thus done at the earliest possible time, so that time delays z. B. are given up to the emergence of secondary reactions of the body, be avoided. Furthermore, intentions can be detected that do not cause any secondary reactions of the body. For example, it can be recognized from the brainwaves how the driver intends to steer the vehicle in order to optimally prepare chassis stabilization systems according to the manner of the steering maneuver.
  • a method for use in vehicles to provide an improved driver-vehicle interface by evaluating brain waves such. EEG, MEG, NIRS, fMRI and / or EMG.
  • the method according to the invention has, inter alia, the characteristic that driver behavior in general and driver reaction errors and reaction delays are detected and analyzed in particular, and thus are available to a subsequent safety system as input as a novel multipurpose feature for improved vehicle safety.
  • the method can be used in a vehicle, inter alia
  • Accident-preventive safety measures such as a) automatic belt tightening b) seat optimization c) braking / steering-ready optimization of vehicle responsiveness d) pre-optimization of vehicle dynamics in time-critical decisions e) all predictive safety precautions.
  • a fundamentally new quality of human-machine interfaces through the combination of brain physiological findings and algorithmic advances in information technology is made possible by the concept of direct conversion of brain signals into machine-related control commands in a brain-computer interface (BCI) as Real-time implementation is realized.
  • BCI brain-computer interface
  • a non-invasive and in principle suitable for everyday use measuring method is eg the multi-channel EEG with a time resolution used in the millisecond range.
  • the methodological approach is based on robust algorithms of machine learning and signal processing for the extraction, identification and classification of EEG humming signals, which map the intentions of natural movements in psychophysiologically well-defined interaction situations between humans and the environment.
  • Another characteristic feature of the BBCI used here lies in the orientation towards a user-optimized training situation, in which, unlike other BCI methods, not several training sessions of the user are required, but only a single approximately twenty-minute training phase as the starting material for the learning algorithm Blankertz, B., Curio, G., Müller, K.-R. (2003), Classifying Single Trial EEG: Towards Brain Computer Interfacing, Advances in Neural Information Processing Systems 14, eds. TG Dietterich, S. Becker and Z.
  • Intention formation and specific movement preparations can serve as a novel input parameter for accident prevention safety concepts due to the BBCI real-time capability; for automobiles, for example, motorized belt tightening, seat optimization or vehicle / vehicle optimization preparatory to braking / steering.
  • the fastest possible driver-based 'verification' of machine (e.g., visual) hazard detection can be accomplished by detecting a driver's congruent engine intent structure and allowing for appropriately validated situation mo- bilisation.
  • time-critical decision alternatives such as e.g.
  • a situationally compelling selection between emergency braking and directed avoidance maneuvers which are legally reserved for the driver, can be predicted a mere tenth of a second before the actual reaction movement of the driver by extracting the corresponding motor intentions from the driver's EEG signal and for purposes of pre-optimizing vehicle dynamics be used.

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Description

Verfahren zum Auslösen insassen unterstützter Maßnahmen in einem Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslösen insassenunterstützter Maßnahmen in einem Fahrzeug.
Aus DE 198 01 009 Cl ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Not- oder Stresssituation des Fahrers eines Fahrzeuges erkannt und eine einen Bremsvorgang einleitende bzw. durchführende Einrichtung unterstützend betätigt wird. Die Not- bzw. Stresssituation des Fahrers wird dabei anhand von Sensoren detektiert, die eine Änderung des Blutdrucks und/oder eine Änderung des Pulses und/oder eine Änderung der Pupille und/oder eine Änderung des Gesichtsausdrucks und/oder eine Änderung des Lidreflexes und/oder eine Muskelkontraktion, vorzugsweise der Hand, und/oder eine Änderung des Hautwiderstands und/oder eine Änderung der Schweißsekretion erfassen.
Die Zeit bis zur Entstehung einer der zuvor genannten Körperreaktionen auf eine vom Fahrer empfundene Not- bzw. Stresssituation hin führt dabei zu einer verzögerten unterstützenden Einleitung bzw. Unterstützung des Bremsvorganges, was nachteilig sein kann.
Aus DE 197 02 748 AI ist es ferner bekannt, dass der Zustand des Führers eines Fahrzeuges, z. B. eines Zuges, durch z. B. die Erfassung der Hirnströme des Führers überwacht wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Auslösen insassenunterstützender Maßnahmen in einem Fahrzeug anzugeben, bei dem die Zeit zwi- sehen der Bildung der Intention des z. B. Fahrers des Fahrzeuges und der ein- zuleitenden Maßnahme verkürzt und diese damit quasi ohne Zeitverzögerung eingeleitet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Auslösen insassen unterstützter Maßnahmen in einem Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem Hirnstrom-Signale mindestens eines Fahrzeuginsassen, insbesondere des Fahrers, messtechnisch erfasst werden, anhand der Hirnstrom-Signale die Intention des Fahrzeuginsassen durch Echtzeitverarbeitung abgeschätzt bzw. ermittelt wird und - basierend auf der Intention des Fahrzeuginsassen Maßnahmen zum Überführen des augenblicklichen Zustandes des Fahrzeuges in einen der Intention des Fahrzeuginsassen angepassten Zustand des Fahrzeugs im voraus ausgelöst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach der Erfindung werden die handlungsspezifischen Intentionen der Insassen bzw. des Fahrers anhand von deren/dessen Hirnströmen erkannt. Dies erfolgt somit zum frühestmöglichen Zeitpunkt, womit Zeitverzögerungen, die z. B. bis zur Entstehung von Sekundarreaktionen des Körpers gegeben sind, vermieden werden. Ferner lassen sich auch Intentionen detektieren, die keinerlei Sekundärreaktionen des Körpers hervorrufen. Z. B. kann anhand der Hirnströme erkannt werden, wie der Fahrer das Fahrzeug zu lenken beabsichtigt, um je nach Art und Weise des Lenkmanövers Fahrwerksstabilisationssysteme optimal vorzubereiten.
Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zum Einsatz in Fahrzeugen zur Bereitstellung einer verbesserten Fahrer-Fahrzeug-Schnittstelle durch Auswer- tung von Hirnströmen wie z. B. EEG, MEG, NIRS, fMRI und/oder um EMG vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem die Eigenschaft, dass Fahrerverhalten ganz allgemein und Fahrer-Reaktionsfehler und Reaktionsverzögerungen im speziellen detektiert und analysiert werden und damit als neuartiges Multipurposefeature für eine verbesserte Fahrzeugsicherheit einem nachfolgenden Sicherheitssystem als Eingabe zur Verfügung stehen. Das Verfahren kann in einem Fahrzeug unter anderem eingesetzt werden für
1. unfallpräventive Sicherheitsmaßnahmen wie a) automatische Gurtstraffung b) Sitzoptimierung c) brems/lenkungsvorbereitende Optimierung der Fahrzeugreagibilität d) Voroptimierung der Fahrzeugdynamik bei zeitkritischen Entscheidungen e) alle prädiktiven Sicherheitsvorkehrungen.
2. Fahrerbasierte Verifikation maschinell erkannter Gefahrensituationen, wie z.B. a) Detektion eines kongruenten motorischen Intentionsaufbaus b) Situationsmodellierung und Validierung.
3. Kontinuierliches Vigilanzmonitoring.
Der Erfindung und ihre Grundlagen sowie Grundzüge werden nachfolgend eingehender beschrieben.
Mit der Erfindung wird eine grundsätzlich neue Qualität von Mensch-Maschine- Schnittstellen durch die Kombination hirnphysiologischer Erkenntnisse und algorithmischer Weiterentwicklungen in der Informationstechnik ermöglicht, indem das Konzept einer direkten Umsetzung von Hirnsignalen in maschinen- bezogene Steuerbefehle in einen Brain-Computer Interface (BCI) als Echtzeit- Implementation realisiert wird. Als nicht-invasive und prinzipiell alltagstaugliche Messmethode wird dabei z.B. das Multi-Kanal-EEG mit einer Zeitauflösung im Millisekundenbereich verwendet. Der methodische Ansatz beruht auf robusten Algorithmen des maschinellen Lernens und der Signalverarbeitung zur Extraktion, Identifikation und Klassifikation von EEG-Himsignalen, die Intentionen natürlicher Bewegungen in psychophysiologisch wohldefinierten Interak- tionssituationen zwischen Mensch und Umwelt abbilden. Ein weiteres charakteristisches Merkmal des hier verwendeten BBCI liegt in der Ausrichtung auf eine für den Nutzer optimierte Trainingssituation, bei der im Gegensatz zu anderen BCI-Verfahren nicht mehrere Trainingssessions des Nutzers erforderlich sind, sondern lediglich eine einzige ca. zwanzigminütige Trainingsphase als Ausgangsmaterial für den Lernalgorithmus benötigt wird (siehe Blankertz, B., Curio, G., Müller, K.-R. (2003), Classifying Single Trial EEG: Towards Brain Computer Interfacing, Advances in Neural Information Processing Systems 14, eds. T.G. Dietterich, S. Becker and Z. Ghahramani, MIT PRSS: Cambridge, MA, 157-164; Dornhege, G., Blankertz, B., Curio, G., Müller, K.-R., Combining features for BCI, Advances in Neural Information Processing Systems 15, eds. S. Becker, S. Thrun and K. Obermayer, MIT Press: Cambridge, MA. (2003)).
Für ein BCI liegen international bislang schon wohldefinierte Anwendungsperspektiven im klinischen Einsatz für gelähmte Patienten vor, insbesondere z.B. bei kompletten Querschnittslähmungen. Mit der Erfindung wird erstmals die
Möglichkeit aufgezeichnet, bei zeitkritischen Echtzeit-Applikationen, wie sie typischerweise z.B. bei Fahrer-Fahrzeug-Schnittstellen gegeben sind, neuartige Verfahrensansätze zu realisieren:
1. In der psychophysiologischen Forschung zur Aufklärung und Anwendung von Fahrer-Reaktionsfehlern und -Reaktionsverzögerungen können nun erstmals, sowohl in virtuellen Fahrsimulationen wie auch in realen Fahrsituationen, die motorischen Reaktionsintentionen des Fahrers mit hoher Zeitauflösung im Millisekundenbereich als ungemittelte Einzelereignisse erfasst und auf diese Weise in Abhängigkeit vom aktuell variierenden perzeptuellen Kontext (multimodale Umgebungsinformationen sowie Instrumentensignale) analysiert werden. 2. Im Einsatz als Fahrerassistenzsystem können Konzepte der "Integrierten Sicherheit" um neuartige Komponenten für eine kontinuierlich ('on-the- fly1) fortlaufende Fahrer-Modellierung erweitert werden: a) Die als Einzelereignis identifizierbaren EEG-Korrelate von
Intentionsbildung und spezifischen Bewegungsvorbereitungen können aufgrund der BBCI-Echtzeitfähigkeit als neuartige Eingangsgröße dienen für Konzepte der unfallpräventiven Sicherheit, bei Automobilen beispielsweise motorische Gurtstraffung, Sitzoptimierung oder Brems-/Lenkungs-vorbereitende Optimierung der Fahrzeugreagibili- tät. b) Darüber hinaus kann eine schnellstmögliche Fahrer-basierte 'Verifikation' maschineller (z.B. visueller) Gefahrenerkennung durch Detektion eines kongruenten motorischen Intentionsaufbaus des Fahrers erfolgen und eine dementsprechend validierte Situationsmo- deilierung ermöglichen. c) Insbesondere können zeitkritische Entscheidungsalternativen, wie z.B. eine situativ zwingende Auswahl zwischen Notfallbremsung und gerichtetem Ausweichmanöver, die rechtlich dem Fahrer vorzubehal- ten sind, schon Zehntelsekunden vor der eigentlichen Reaktionsbewegung des Fahrers prognostiziert werden, indem die entsprechenden motorischen Intentionen aus dem EEG-Signal des Fahrers extrahiert und für Zwecke einer Voroptimierung der Fahrzeugdynamik genutzt werden.
Als additiver Vorteil dieses EEG-basierte BCI-Ansatzes ist das weitergreifende multi-purpose feature zu nennen, dass aus den EEG-Daten neben den hier definierten neuartigen Applikationen schon früher etablierte Konzepte zum kontinuierlichen Fahrer-Vigilanzmonitoring nahtlos integriert werden können.

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zum Auslösen insassenunterstützter Maßnahmen in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, bei dem
Hirnstrom-Signale mindestens eines Fahrzeuginsassen, insbesondere des Fahrers, messtechnisch erfasst werden, anhand der Hirnstrom-Signale die Intention des Fahrzeuginsassen durch Echtzeitverarbeitung abgeschätzt bzw. ermittelt wird und basierend auf der Intention des Fahrzeuginsassen Maßnahmen zum Überführen des augenblicklichen Zustandes des Fahrzeuges in einen der Intention des Fahrzeuginsassen angepassten Zustand des Fahrzeugs im voraus ausgelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physiologischen Signale nichtinvasiv ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Hirnstrom-Signalen um Hirnsignale wie z. B. EEG, MEG, NIRS, fMRI und/oder um EMG handelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Echtzeitverarbeitung der Messsignale durch Methoden der Signalverarbeitung und/oder des maschinellen Lernens erfolgt, die es ermöglichen, die Messsignale als Einzelsignale und ohne langwieriges Training des Fahrzeuginsassen auszuwerten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Methoden der Signalverarbeitung zur adaptiven Merkmalsextraktion aus den Messsignalen alternativ oder in einer beliebigen Kombination mindestens eines der nachfolgenden Merkmale aufweist: a) Filterung (räumlich und im Frequenzbereich) und Downsampling, b) Zerlegung bzw. Projektion, c) Bestimmung von räumlichen, zeitlichen oder raum-zeitlichen Komplexitätsmaßen, d) Bestimmung von Kohärenzmaßen (bezogen auf Phase oder Band- Energie) zwischen Eingangssignalen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung alternativ oder in einer beliebigen Kombination mindestens eines der nachfolgenden Merkmale aufweist: a) Wavelet und Fourierfilter (short-time), b) FIR und IIR Filter, c) Laplace und Common Avarage Reference Filter, d) Glättungsverfahren.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung bzw. Projektion alternativ oder in einer beliebigen Kombination mindestens eines der nachfolgenden Merkmale aufweist: a) Independent Component Analyse und Hauptkomponentenanalyse, b) Projection Pursuit Technik, c) Sparse Decomposition Techniken, d) Common Spatial Pattems Techniken, e) Common Substace Decomposition Techniken, f) (Bayessche) sub-space regularization Techniken.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Methode des maschinellen Lernens eine Klassifikation und/oder Regression umfasst, und zwar unter Einsatz von a) kernbasierten linearen und nichtlinearen Lernmaschinen (z.B. Support Vector Maschinen, Kern Fisher, Linear Programming Machines), b) Diskriminanzanalysen, c) neuronalen Netzen, d) Entscheidungsbäumen, e) allgemein allen linearen und nicht linearen Klassifikationsmethoden auf die durch Signalvorverarbeitung gewonnenen Merkmale.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den auslösenden Maßnahmen um unfallpräventive Sicherheitsmaßnahmen wie beispielsweise a) automatische Gurtstraffung, b) Sitzoptimierung, c) brems/lenkungsvorbereitende Optimierung der Fahrzeugreagibilität, d) Stabilitätsvorberechnungen, e) Voroptimierung der Fahrzeugdynamik bei zeitkritischen Entscheidungen, f) alle prädiktiven Sicherheitsvorkehrungen handelt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die anhand der Hrinstrom-Signale ermittelte bzw. abgeschätzte Intention der Verifikation maschinell erkannter Gefahrensituationen dient, und zwar insbesondere durch Detektion eines kongruenten motorischen Intentionsaufbaus und Situationsmodellierung und Validierung.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den Einsatz und die Integration in ein kontinuierliches Vigilanzmonitoring.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die auszulösenden Maßnahmen anhand einer Mittlung der Intentionen mehrerer Fahrzeuginsassen ergriffen werden.
EP04722274A 2003-03-20 2004-03-22 Verfahren zum auslösen insassenunterstützter massnahmen in einem fahrzeug Expired - Lifetime EP1604251B1 (de)

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